一种Nd-Fe-B基永磁薄膜及其制备方法与应用

一种nd-fe-b基永磁薄膜及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明属于永磁薄膜技术领域，尤其涉及一种nd-fe-b基永磁薄膜及其制备方法与应用。


背景技术：

2.磁性元件的微型化是现代科技发展的必然要求，nd-fe-b基永磁薄膜磁性材料由于其具有高磁能积、高矫顽力等优异的磁性能，能够使得微型电机、制动器等微电子和微机电系统(mems)在低功耗下实现电与磁的交换。应用在磁mems中的nd-fe-b基永磁薄膜的厚度需要达到微米级(》1μm)。然而，微米厚度的nd-fe-b基永磁薄膜存在薄膜易脱落的问题，这严重限制了其在磁性mems的制造。
3.通常地，nd-fe-b基永磁薄膜通过溅射沉积的方式制备，其中沉积态的组织为非晶态，需要经过高温晶化退火处理，使得nd2fe
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b主相形核并长大，形成多晶膜，从而使得薄膜具备优异的磁性能。
4.磁性mems通常在si基底上制造，由于nd-fe-b基永磁薄膜与基底之间存在热膨胀差异，随着nd-fe-b基永磁薄膜的厚度不断增加，其在热退火过程中产生的热应力也在不断增加，薄膜脱落倾向增大，直接影响薄膜的制备和应用。
5.公开号为cn 115020099 a的发明专利申请公开了一种增强nd-fe-b基永磁厚膜垂直磁各向异性的方法。该方法通过在nd-fe-b基永磁厚膜生长过程中插入隔离层，将nd-fe-b基单层厚膜变成nd-fe-b基多层厚膜，通过改变隔离层的厚度和层数，在增强了垂直磁各向异性的同时提高了膜基结合力。该方法解决的主要是随着厚度增长，nd-fe-b基永磁厚膜垂直磁各向异性下降的问题，就磁性膜剥离的问题而言，该方法工艺较为复杂。
6.目前，关于解决nd-fe-b基永磁薄膜脱落的研究还比较少，同时现有的解决磁性膜剥离的工艺较为复杂。因此，寻找一种简单且可行的方法来解决nd-fe-b基永磁薄膜在高温热处理过程中容易从基底表面脱落的问题对其应用具有重要的意义。


技术实现要素：

7.为了解决nd-fe-b基永磁薄膜在高温热处理过程中容易从基底表面脱落的问题，本发明提供了一种nd-fe-b基永磁薄膜，该薄膜与基底的结合能力强，能够在高温热处理时，甚至当热处理温度高达900℃时仍与基底结合完好，未出现脱落现象。
8.一种nd-fe-b基永磁薄膜，所述nd-fe-b基永磁薄膜位于基底表面，其特征在于，所述nd-fe-b基永磁薄膜包括依次形成于基底上的ta缓冲层、nd-fe-b层和ta覆盖层，所述ta缓冲层的热膨胀系数介于基底和nd-fe-b层的热膨胀系数之间，厚度为230-1000nm。
9.nd-fe-b层与基底之间是缓冲层，缓冲层作为直接与基底和磁性层相接触的材料，基底对nd-fe-b层的热应力将首先对缓冲层产生作用，进而传导进入nd-fe-b层。调整缓冲层的选择，以使薄膜各层级之间的热膨胀系数的差异最小化，可以降低磁性膜剥离的程度。本发明选择热膨胀系数介于基底以及nd-fe-b层热膨胀系数之间的ta薄膜作为缓冲层，减
少了薄膜各层级之间的热膨胀系数的差异，同时通过增加ta缓冲层的厚度有效提高了nd-fe-b基永磁薄膜热处理时与基底的结合能力，有效解决了磁性膜高温热处理时易剥离的问题。
10.优选地，所述的基底为si基底、si/sio2基底或氧化铝基底。更优选地，所述的基底为si(100)。
11.优选地，所述的ta覆盖层的厚度为1-1000nm。
12.优选地，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的厚度为1-100μm。进一步优选地，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的厚度为5-50μm。更优选地，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的厚度为6-10μm。
13.本发明还提供了所述的nd-fe-b基永磁薄膜的制备方法。该方法通过在基底与nd-fe-b层之间插入增厚的ta缓冲层，有效提高了nd-fe-b基永磁薄膜与基底的结合能力，使得nd-fe-b基永磁薄膜在高温退火时仍然保持与基底的有效结合，不出现剥离现象。
14.一种所述的nd-fe-b基永磁薄膜的制备方法，包括如下步骤：
15.(1)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，对基片表面进行离子轰击，得到基底；
16.(2)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，以ta靶为靶材，在基底表面溅射沉积ta缓冲层；
17.(3)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，以nd-fe-b基复合材料为靶材，在ta缓冲层表面溅射沉积nd-fe-b层；
18.(4)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，以ta靶为靶材，在nd-fe-b层表面沉积ta覆盖层；
19.(5)将步骤(4)得到的nd-fe-b基永磁薄膜进行热处理。
20.优选地，步骤(1)中，所述的氩气压强为1-5pa，射频溅射功率为20-60w，溅射时间为10-40min。
21.优选地，步骤(2)中，所述的氩气压强为0.6-1.6pa，溅射功率为100-160w，溅射时间为5-35min。
22.优选地，步骤(3)中，所述的氩气压强为0.8-1.2pa，溅射功率为120-160w，溅射时间为1-300min。
23.优选地，步骤(4)中，所述的氩气压强为0.6-1.6pa，溅射功率为100-160w，溅射时间为5-35min。
24.优选地，步骤(5)中，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的热处理温度为300-1000℃。
25.优选地，步骤(5)中，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的热处理时间为1-40min。
26.本发明还提供了所述的nd-fe-b基永磁薄膜在微电子和微机电系统中的应用。本发明制备的nd-fe-b基永磁薄膜在高温热处理过程中仍然保持与基底的有效结合，在微电子及微机电系统中具有较好的应用前景。
27.当nd-fe-b基永磁薄膜中ta缓冲层的厚度≥230nm，nd-fe-b基永磁薄膜的热处理温度在300-1000℃时，可抑制nd-fe-b基永磁薄膜从基底上脱落，防止制造的微电子元器件失效。
28.具体的，当nd-fe-b基永磁薄膜中ta缓冲层的厚度≥230nm时，nd-fe-b基永磁薄膜可在850℃的热处理温度下保持与基底的有效结合；当nd-fe-b基永磁薄膜中ta缓冲层的厚度≥650nm，nd-fe-b基永磁薄膜可在900℃甚至以上的热处理温度下保持与基底的有效结
合。
29.相对于现有技术，本发明至少具备以下有益效果：
30.(1)本发明选择热膨胀系数介于基底以及nd-fe-b层热膨胀系数之间的ta薄膜作为缓冲层，减少了薄膜各层级之间的热膨胀系数的差异，同时通过增加ta缓冲层的厚度有效提高了nd-fe-b基永磁薄膜与基底的结合能力，从而有效解决了磁性膜高温热处理时易剥离的问题。
31.(2)本发明方法制备得到的nd-fe-b基永磁薄膜在高温退火时仍然保持与基底的有效结合，不出现剥离现象，热退火温度可达850℃甚至900℃以上。
附图说明
32.图1为本发明制备的nd-fe-b基永磁薄膜的结构示意图，其中1为si(100)基底；2为ta缓冲层；3为nd-fe-b层；4为ta覆盖层。
33.图2为实施例1制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品在850℃和900℃条件下分别退火20min后的表面形貌图。
34.图3为实施例2制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品在850℃和900℃条件下分别退火20min后的表面形貌图。
35.图4为实施例3制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品在850℃和900℃条件下分别退火20min后的表面形貌图。
36.图5为对比例1制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品在850℃和900℃条件下分别退火20min后的表面形貌图。
具体实施方式
37.为进一步阐述本发明制备的nd-fe-b基永磁薄膜，通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
38.实施例1
39.本实施例制备nd-fe-b基永磁薄膜所用的基底为si(100)，其表面为沉积厚度为650nm的ta缓冲层，ta缓冲层表面为6μm厚度的nd-fe-b层，nd-fe-b层表面为100nm的ta覆盖层。制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体步骤如下：
40.(1)清洗si(100)基底，然后送入进样室；利用射频磁控溅射，对si(100)基底进行离子轰击，得到轰击后的si(100)基底并送入高真空制样室。
41.(2)以ta为靶材，在si(100)基底上沉积650nm厚度ta缓冲层。
42.(3)以nd-fe-b合金为靶材，在步骤(2)得到的ta缓冲层上沉积6μm厚度的nd-fe-b层。
43.(4)以ta为靶材，在步骤(3)得到的nd-fe-b层上沉积100nm厚度ta覆盖层。
44.(5)将步骤(4)得到的nd-fe-b基永磁薄膜在850℃和900℃进行热处理。
45.采用双室磁控溅射系统制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体条件如下：
46.对需要镀膜的si(100)基底采用分析纯的丙酮进行超声清洗15min/次，共进行3次超声清洗，将清洗完后的si(100)基底用氮气吹干后送入进样室，抽真空至优于4x10-5
pa。接着对si(100)基底进行离子轰击，去除基底表面可能残留的杂质和氧化层，其中背底真空优
于4x10-5
pa，溅射气体为纯度为99.9995％的氩气，气体流量为32sccm，采用射频溅射电源，溅射功率为40w，室温下溅射20min。
47.将si(100)基底送入高真空室进行基底表面薄膜的制备。在背底真空优于6.0
×
10-6
pa下对所需溅射的靶材先进行预溅射，去除靶材表面可能存在的杂质或氧化层，使得接下来沉积的薄膜不掺入杂质，预溅射不对溅射功率和时间做要求。接着将si(100)基底加热至300℃，以纯度为99.9995％的氩气作为溅射气体，在溅射气压为0.8pa，气体流量为32sccm条件下，以99.99％的ta靶为靶材制备650nm厚度的ta缓冲层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积60min。
48.将沉积完的ta缓冲层的基底加热至550℃，将氩气流量调节至60sccm，在氩气气压为1pa条件下，以nd-fe-b合金靶作为靶材溅射沉积6μm厚度的nd-fe-b层，溅射功率为140w，溅射速率为24nm/min，共沉积4-5h。
49.将基片温度降至300℃以下，以溅射纯度为99.99％ta靶为靶材制备100nm厚度的ta覆盖层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积9min。
50.真空条件下，将本实施例制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品分别在850℃和900℃退火20min，用扫描电子显微镜观察其表面形貌(如图2)。由图2可知，在850℃和900℃退火时，nd-fe-b基永磁薄膜仍保持与基底的有效结合，不出现剥离脱落现象。
51.实施例2
52.本实施例制备nd-fe-b基永磁薄膜所用的基底为si(100)，其表面为沉积厚度为500nm的ta缓冲层，ta缓冲层表面为6μm厚度的nd-fe-b层，nd-fe-b层表面为100nm的ta覆盖层。制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体步骤如下：
53.(1)清洗si(100)基底，然后送入进样室；利用射频磁控溅射，对si(100)基底进行离子轰击，得到轰击后的si(100)基底并送入高真空制样室。
54.(2)以ta为靶材，在si(100)基底上沉积500nm厚度ta缓冲层。
55.(3)以nd-fe-b合金为靶材，在步骤(2)得到的ta缓冲层上沉积6μm厚度的nd-fe-b层。
56.(4)以ta为靶材，在步骤(3)得到的nd-fe-b层上沉积100nm厚度ta覆盖层。
57.(5)将步骤(4)得到的nd-fe-b基永磁薄膜在850℃和900℃进行热处理。
58.采用双室磁控溅射系统制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体条件如下：
59.对需要镀膜的si(100)基底采用分析纯的丙酮进行超声清洗15min/次，共进行3次超声清洗，将清洗完后的si(100)基底用氮气吹干后送入进样室，抽真空至优于4x10-5
pa。接着对si(100)基底进行离子轰击，去除基底表面可能残留的杂质和氧化层，其中背底真空优于4x10-5
pa，溅射气体为纯度为99.9995％的氩气，气体流量为32sccm，采用射频溅射电源，溅射功率为40w，室温下溅射20min。
60.将si(100)基底送入高真空室进行基底表面薄膜的制备。在背底真空优于6.0
×
10-6
pa下对所需溅射的靶材先进行预溅射，去除靶材表面可能存在的杂质或氧化层，使得接下来沉积的薄膜不掺入杂质，预溅射不对溅射功率和时间做要求。接着将si(100)基底加热至300℃，以纯度为99.9995％的氩气作为溅射气体，溅射气压为0.8pa，气体流量为32sccm；以99.99％的ta靶为靶材制备500nm厚度的ta缓冲层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积46min。
61.将沉积完的ta缓冲层的基底加热至550℃，将氩气流量调节至60sccm，在氩气气压为1pa条件下，以nd-fe-b合金靶作为靶材溅射沉积6μm厚度的nd-fe-b层，溅射功率为140w，溅射速率为24nm/min，共沉积4-5h。
62.将基片温度降至300℃以下，以溅射纯度为99.99％ta靶为靶材制备100nm厚度的ta覆盖层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积9min。
63.真空条件下，将本实施例制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品分别在850℃和900℃退火20min，用扫描电子显微镜观察其表面形貌(如图3)。由图3可知，在850℃退火时，nd-fe-b基永磁薄膜仍保持与基底的有效结合，不出现剥离脱落现象。在900℃退火时，薄膜样品出现覆盖层部分脱落。
64.实施例3
65.本实施例制备nd-fe-b基永磁薄膜所用的基底为si(100)，其表面为沉积厚度为230nm的ta缓冲层，ta缓冲层表面为6μm厚度的nd-fe-b层，nd-fe-b层表面为100nm的ta覆盖层。制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体步骤如下：
66.(1)清洗si(100)基底，然后送入进样室；利用射频磁控溅射，对si(100)基底进行离子轰击，得到轰击后的si(100)基底并送入高真空制样室。
67.(2)以ta为靶材，在si(100)基底上沉积230nm厚度ta缓冲层。
68.(3)以nd-fe-b合金为靶材，在步骤(2)得到的ta缓冲层上沉积6μm厚度的nd-fe-b层。
69.(4)以ta为靶材，在步骤(3)得到的nd-fe-b层上沉积100nm厚度ta覆盖层。
70.(5)将步骤(4)得到的nd-fe-b基永磁薄膜在850℃和900℃进行热处理。
71.采用双室磁控溅射系统制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体条件如下：
72.对需要镀膜的si(100)基底采用分析纯的丙酮进行超声清洗15min/次，共进行3次超声清洗，将清洗完后的si(100)基底用氮气吹干后送入进样室，抽真空至优于4x10-5
pa。接着对si(100)基底进行离子轰击，去除基底表面可能残留的杂质和氧化层，其中背底真空优于4x10-5
pa，溅射气体为纯度为99.9995％的氩气，气体流量为32sccm，采用射频溅射电源，溅射功率为40w，室温下溅射20min。
73.将si(100)基底送入高真空室进行基底表面薄膜的制备。在背底真空优于6.0
×
10-6
pa下对所需溅射的靶材先进行预溅射，去除靶材表面可能存在的杂质或氧化层，使得接下来沉积的薄膜不掺入杂质，预溅射不对溅射功率和时间做要求。接着将si(100)基底加热至300℃，以纯度为99.9995％的氩气作为溅射气体，溅射气压为0.8pa，气体流量为32sccm；以99.99％的ta靶为靶材制备230nm厚度的ta缓冲层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积21min。
74.将沉积完的ta缓冲层的基底加热至550℃，将氩气流量调节至60sccm，在氩气气压为1pa条件下，以nd-fe-b合金靶作为靶材溅射沉积6μm厚度的nd-fe-b层，溅射功率为140w，溅射速率为24nm/min，共沉积4-5h。
75.将基片温度降至300℃以下，以溅射纯度为99.99％ta靶为靶材制备100nm厚度的ta覆盖层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积9min。
76.真空条件下，将本实施例制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品分别在850℃和900℃退火20min，用扫描电子显微镜观察其表面形貌(如图4)。由图4可知，在850℃退火时，nd-fe-b
基永磁薄膜仍保持与基底的有效结合，不出现剥离脱落现象。在900℃退火时，薄膜样品脱落明显而且严重。
77.对比例1
78.本实施例制备nd-fe-b基永磁薄膜所用的基底为si(100)，其表面为沉积厚度为100nm的ta缓冲层，ta缓冲层表面为6μm厚度的nd-fe-b层，nd-fe-b层表面为100nm的ta覆盖层。制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体步骤如下：
79.(1)清洗si(100)基底，然后送入进样室；利用射频磁控溅射，对si(100)基底进行离子轰击，得到轰击后的si(100)基底并送入高真空制样室。
80.(2)以ta为靶材，在si(100)基底上沉积100nm厚度ta缓冲层。
81.(3)以nd-fe-b合金为靶材，在步骤(2)得到的ta缓冲层上沉积6μm厚度的nd-fe-b层。
82.(4)以ta为靶材，在步骤(3)得到的nd-fe-b层上沉积100nm厚度ta覆盖层。
83.(5)将步骤(4)得到的nd-fe-b基永磁薄膜在850℃和900℃进行热处理。
84.采用双室磁控溅射系统制备本实施例的nd-fe-b基永磁薄膜的具体条件如下：
85.对需要镀膜的si(100)基底采用分析纯的丙酮进行超声清洗15min/次，共进行3次超声清洗，将清洗完后的si(100)基底用氮气吹干后送入进样室，抽真空至优于4x10-5
pa。接着对si(100)基底进行离子轰击，去除基底表面可能残留的杂质和氧化层，其中背底真空优于4x10-5
pa，溅射气体为纯度为99.9995％的氩气，气体流量为32sccm，采用射频溅射电源，溅射功率为40w，室温下溅射20min。
86.将si(100)基底送入高真空室进行基底表面薄膜的制备。在背底真空优于6.0
×
10-6
pa下对所需溅射的靶材先进行预溅射，去除靶材表面可能存在的杂质或氧化层，使得接下来沉积的薄膜不掺入杂质，预溅射不对溅射功率和时间做要求。接着将si(100)基底加热至300℃，以纯度为99.9995％的氩气作为溅射气体，在溅射气压为0.8pa，气体流量为32sccm条件下，以99.99％的ta靶为靶材制备100nm厚度的ta缓冲层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积9min。
87.将沉积完的ta缓冲层的基底加热至550℃，将氩气流量调节至60sccm，在氩气气压为1pa条件下，以nd-fe-b合金靶作为靶材溅射沉积6μm厚度的nd-fe-b层，溅射功率为140w，溅射速率为24nm/min，共沉积4-5h。
88.将基片温度降至300℃以下，以溅射纯度为99.99％ta靶为靶材制备100nm厚度的ta覆盖层，ta靶的溅射功率为120w，溅射速率是11nm/min，大约沉积9min。
89.真空条件下，将本实施例制备的nd-fe-b基永磁薄膜样品分别在850℃和900℃退火20min，用扫描电子显微镜观察其表面形貌(如图5)。由图5可知，在850℃退火时，薄膜样品表面出现连续的裂纹，薄膜样品出现失效。在900℃退火时，薄膜样品脱落明显而且严重。

技术特征：
1.一种nd-fe-b基永磁薄膜，所述nd-fe-b基永磁薄膜位于基底表面，其特征在于，所述nd-fe-b基永磁薄膜包括依次形成于基底上的ta缓冲层、nd-fe-b层和ta覆盖层，所述ta缓冲层的热膨胀系数介于基底和nd-fe-b层的热膨胀系数之间，厚度为230-1000nm。2.根据权利要求1所述的nd-fe-b基永磁薄膜，其特征在于，所述的基底为si(100)，所述的ta覆盖层的厚度为1-1000nm。3.根据权利要求1或2所述的nd-fe-b基永磁薄膜，其特征在于，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的厚度为1-100μm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的nd-fe-b基永磁薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，对基片表面进行离子轰击，得到基底；(2)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，以ta靶为靶材，在基底表面溅射沉积ta缓冲层；(3)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，以nd-fe-b基复合材料为靶材，在ta缓冲层表面溅射沉积nd-fe-b层；(4)采用磁控溅射技术，氩气为溅射气体，以ta靶为靶材，在nd-fe-b层表面沉积ta覆盖层；(5)将步骤(4)得到的nd-fe-b基永磁薄膜进行热处理。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的氩气压强为0.6-1.6pa，溅射功率为100-160w，溅射时间为5-35min。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的氩气压强为0.8-1.2pa，溅射功率为120-160w，溅射时间为1-300min。7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的氩气压强为0.6-1.6pa，溅射功率为100-160w，溅射时间为5-35min。8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的热处理温度为300-1000℃。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的nd-fe-b基永磁薄膜的热处理时间为1-40min。10.根据权利要求1-3中任一项所述的nd-fe-b基永磁薄膜在微电子和微机电系统中的应用。

技术总结
本发明公开了一种Nd-Fe-B基永磁薄膜，所述Nd-Fe-B基永磁薄膜位于基底表面，包括依次形成于基底上的Ta缓冲层、Nd-Fe-B层和Ta覆盖层，所述Ta缓冲层的热膨胀系数介于基底和Nd-Fe-B层的热膨胀系数之间，厚度为230-1000nm。本发明还公开了一种上述Nd-Fe-B基永磁薄膜的制备方法与应用。本发明选择热膨胀系数介于基底以及Nd-Fe-B层热膨胀系数之间的Ta薄膜作为缓冲层，通过增加Ta薄膜的厚度有效提高了Nd-Fe-B基永磁薄膜与基底的结合能力，使得所制备的Nd-Fe-B基永磁薄膜在高温退火时仍然保持与基底的有效结合，从而有效解决了磁性膜高温热处理时易剥离的问题，在微电子及微机电系统中具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。具有较好的应用前景。


技术研发人员：张健 黄景彬 廖诗杰 沈保根
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/13